船用消磁绕组绝缘故障诊断方法分析

周炎生，王进金

(92601部队，广东 湛江 524009)

消磁绕组是产生抵消船舶磁性的电缆的总称，是船用消磁系统的重要组成部分，消磁绕组的性能状况直接决定船舶磁场补偿状态[1]。消磁绕组根据其不同功能，在全船各个位置呈环形敷设。部分消磁绕组经过油舱、水舱、弹药舱、机舱底部、锚链舱等特殊舱室，长期处于高温、高湿、高盐环境，易受油、水污物侵蚀，易受到机械碰撞，造成绝缘性能降低，绕组绝缘故障会影响消磁系统性能，存在漏电风险。从历年消磁系统勘验数据可以发现，消磁绕组绝缘故障多发频发，成为制约消磁系统有效运行的重要因素。

1 消磁绕组绝缘故障分析

1.1 消磁电缆结构

消磁电缆由外护套、屏蔽层、内衬层、绝缘层和导体组成，具有低烟、无卤、阻燃的特点。消磁电缆分单芯和多芯电缆，绕组分布类型分为垂向绕组、纵向绕组、横向绕组等。

1.2 绝缘故障现象

船舶消磁绕组投入运行瞬间或者一段时间后发生跳闸现象，使用兆欧表测量绕组对地绝缘情况，发现绝缘电阻很小，接近0，说明是由于消磁绕组绝缘故障导致的跳闸。根据历年船舶消磁系统勘验数据，发现服役年限久的船舶，其消磁绕组绝缘性能通常会逐年降低，同时更容易出现绕组绝缘电阻很低的现象。

1.3 绝缘故障原因

影响消磁绕组绝缘性能的因素有很多，长时间的高温、高湿和振动等因素易导致消磁电缆绝缘故障，另外并联在消磁电缆上的外部连接设备绝缘低也会导致消磁绕组的整体绝缘性能低。下面从外部连接设备、外部环境、外力作用3个方面来分析导致消磁绕组绝缘低的原因。

1) 外部连接设备。与消磁电缆并联的外部设备绝缘好坏会直接影响消磁绕组的整体绝缘性能。不同类型的船舶会装有磁罗经补偿装置和消磁电流复示器等辅助设备，这些设备通过信号电缆直接并联到消磁电缆。信号电缆一般经过多个舱室才与终端设备连接，在消磁前后拆装磁罗经补偿设备、检修船舶电气设备线缆过程中，不小心拉扯了信号电缆，或者是高温、潮湿、振动等环境因素，都有可能导致磁罗经补偿装置和消磁电流复示器等设备的绝缘故障，从而破坏消磁绕组绝缘性能。

2)外部环境。温度是导致消磁电缆绝缘热老化的主要原因。地球70%以上都是海洋，南北半球不同纬度的海域存在不同的温度，不同时间各海域的温度也不一样，总体而言消磁电缆会面临温差大的问题。当外部环境温度升高，电缆绝缘介质中的极化加剧，电导增加，致使绝缘电阻值降低[2]；电缆在带负载运行时，因为电流的热效应必然导致导体发热，同时电荷的集肤效应和绝缘介质损耗也会产生附加热量，从而使电缆温度升高，电缆长时间在高温下运行，会加速绝缘老化，严重时会导致绝缘击穿。

潮湿易引起消磁电缆水树枝老化。消磁电缆在船上安装是分段的，相邻两段通过接线盒内的接线柱串联起来，在接线盒密封性不够或者电缆接头处理不合格时，会使接头处混入水蒸气，当空气湿度很大时产生凝露，时间长了水分子会慢慢渗透到绝缘物中，在电场作用下，水分子产生极化迁移，从而缓慢形成水树枝，逐渐降低电缆的绝缘强度。

京卷高考压轴题解答起来往往不需要很多数学知识，但是对学生的数学素养有着非常高的要求.在一个学期的教学实践中，我们遇到了一些教学障碍,也研究了一些应对措施.归纳起来，主要有以下几个方面:

盐雾是腐蚀消磁电缆绝缘层的主要原因之一。船舶长期在大海航行，航行过程中海水落在船舶上或者是富含氯离子的水蒸气落在受损电缆绝缘体表面时，将使表面电阻降低，绝缘体吸收盐溶液后，绝缘电阻将明显降低[2]。

3)外力作用。消磁电缆敷设中的机械损伤是影响消磁电缆绝缘的重要原因。在安装过程中不小心划破电缆外护套，牵引力过大或者过度弯曲电缆都有可能拉伤电缆[3]；此外安装不牢固，电缆易受到船航行时倾摇而导致电缆与电缆槽的摩擦损伤，从而导致外护套保护性能下降，更容易受到潮湿、盐雾等外部环境因素对电缆的侵蚀，加速电缆绝缘老化，引起电缆故障。

2 消磁绕组绝缘故障检测方法

2.1 绝缘电阻测试法

绝缘电阻能够直接反映电缆的绝缘状态。消磁电缆是低压电缆，所测绝缘电阻值应不小于0.5 MΩ，同时应将所测得数值与出厂、历年记录的数值进行比较，与最近一次的测量值相比应无显著变化，一般不低于上次值的70%。测量使用最为普遍的仪器是绝缘电阻测试仪，如兆欧表。

2.2 直流电桥法

对于消磁电缆因接地导致绝缘低的故障，可以使用直流电桥法定位故障的位置。将直流电桥中的检测端子与故障电缆一端相连接，并且在故障电缆另一端的接线盒内采用跨接短路的方式，使搭载直流电桥的同规格型号电缆形成闭合回路，当直流电桥处于平衡状态时，则可以测出故障点的实际位置。电缆单相接地故障检测电路设计示意图如图1所示，Rf为可调电阻，故障点到检测端的距离Lx计算公式如下：

(1)

式中，R1为测量臂电阻；R2为比例臂电阻；L为同规格型号电缆的长度。

图1 电缆单相接地故障检测电路设计示意图

2.3 0.1 Hz超低频检测技术

电缆0.1 Hz超低频检测包括0.1 Hz超低频介质损耗测试和0.1 Hz超低频局部放电检测，能够较好评估电缆的绝缘状态和定位绝缘缺陷部位。0.1 Hz超低频介质损耗测试通过对电缆施加0.1 Hz的超低频正弦电压，检测电压与电流之间的相位角之差，来获得电缆的介质损耗角正切值(tanδ)，与工频检测对比，低频率下的介质损耗对电缆绝缘老化、受潮情况更为敏感[4]。0.1 Hz超低频局部放电检测是利用时域脉冲反射法原理来定位缺陷部位。当电缆绝缘缺陷部位承受不了较高电压时会出现局部放电，产生局部脉冲波，通过检测脉冲波传播到测试端的时间和由尾部反射后在测试端接收的时间之差，结合脉冲波在电缆中传播的波速，可以对局部放电缺陷的位置进行准确定位[4]。

消磁电缆的绝缘状况检测可采用0.1 Hz超低频检测技术，介质损耗评价结果根据IEEE Std 400.2TM-2013《IEEE Guide for Field Testing of Shielded Power Cable Systems Using Very Low Frequency(VLF)》国际标准中的tanδ随时间稳定性、变化率和平均值来综合判断。在实际测量应用中，可以把长时间的测量数据记录下来用作对比分析，能够较好的判断绝缘老化的趋势。

2.4 在线绝缘监测系统

目前，部分新型的消磁配电板上装有消磁绕组绝缘检测装置或绝缘表，用以检测消磁绕组的绝缘状况。常见的绝缘在线检测方法有信号注入法和电阻分压测量法。信号注入法通过注入变频信号，然后测量反馈的信号来计算绝缘电阻，注入的信号可能会对系统产生纹波干扰[5]。电阻分压测量法通过测量不同情况下的分压电阻上的绝缘电压，来计算绝缘电阻，属于无源检测。当前在线绝缘检测功能较为单一，仅测量绝缘电阻值并实现低绝缘故障报警功能，不能实现故障原因分析及故障点定位。

消磁绕组在线绝缘检测技术是未来的发展趋势。现在有越来越多的绝缘在线检测研究应用在消磁电缆上，通过采集并持续监测消磁电缆的重要参数并存储，然后进行数据对比分析，评估电缆的绝缘老化状态，预测电缆的使用寿命，出现问题能准确定位绝缘故障点，生成检修、更换的建议报告。

3 消磁绕组绝缘故障诊断流程

3.1 故障案例分析

从历年消磁系统勘验数据发现，消磁绕组绝缘故障多发生在工作超过10年的船舶，其中消磁电缆绝缘故障约占80%，磁罗经补偿装置和消磁电流复示器绝缘故障各约占10%。这里介绍一个典型案例，某型船一个分量消磁绕组的绝缘电阻约为0.1 MΩ，排查消磁电流复示器和磁罗经补偿装置，发现消磁电流复示器绝缘正常，但是磁罗经补偿装置的绝缘电阻很低，约为0.1 MΩ，确定磁罗经补偿装置是导致消磁绕组绝缘低的主要原因之一。继续排查消磁电缆，发现消磁电缆的绝缘电阻在0.2 ～ 0.3 MΩ之间，说明该消磁电缆的某一段存在绝缘故障，然后通过二分法逐步查找出船尾锚机室的一个舱外电缆接线箱由于长时间被海浪冲刷，部分密封圈被腐蚀，导致海水渗透到电缆接线柱上和电缆接头处，电缆长时间在电场作用下形成水树枝，从而导致电缆绝缘性能降低，该故障案例非常具有代表性，可为诊断作业流程提供参考。

3.2 故障诊断流程

1)诊断前准备工作。切断消磁系统总电源，在仪器、电源、绕组冷态下作业。断开各消磁绕组开关，准备兆欧表、数字万用表、手持式示波器、工具箱、消磁电缆接线箱位置图纸等设备、资料。

2)使用兆欧表测量各消磁绕组的绝缘电阻，若绝缘电阻均大于等于0.5 MΩ，则认为绝缘性能合格，电缆绝缘检测结束。若低于0.5 MΩ，则认为绝缘性能不合格，开始排查绝缘故障原因。

磁罗经补偿装置和消磁电流复示器并联在消磁电缆上，并联在消磁电缆上的各模块连接示意图如图2所示。消磁电缆通过接线盒连接，按设计路径敷设整船，接线盒数量多、电缆距离长、安装位置狭窄，故障排查工作量非常大，而磁罗经补偿装置和消磁电流复示器仅有一处并联在消磁电缆上，根据排查难易程度先排查磁罗经补偿装置和消磁电流复示器。

图2 并联在消磁电缆上的各模块连接示意图

3)拆除并联在消磁电缆上的磁罗经补偿装置，测量磁罗经补偿装置的绝缘电阻，查看绝缘电阻是否合格。如果不合格，排查连接线和磁罗经补偿装置绝缘电阻，确定故障位置。

4)拆除并联在消磁电缆上的消磁电流复示器，测量消磁电流复示器的绝缘电阻，查看绝缘电阻是否合格。如果不合格，排查连接线和消磁电流复示器绝缘电阻，确定故障位置。

5)测量拆除磁罗经补偿装置和消磁电流复示器后的消磁电缆绝缘电阻，分为以下2种情况。

(1)绝缘电阻为0时，即消磁电缆发生了绝缘接地故障，因同一接线盒每匝消磁电缆敷设的一致性，可使用电缆故障定位仪器进行定位。

(2)绝缘电阻为大于0、小于0.5 MΩ时，一般为绝缘受潮，使用兆欧表分段查找，也可使用0.1 Hz超低频检测设备分析查找。兆欧表的优点是价格便宜、方便携带，缺点是只能查找出绝缘低的电缆，无法定位电缆绝缘缺陷位置。若使用0.1 Hz超低频检测技术评估电缆绝缘状态，该方法的优点是能够定位电缆绝缘缺陷位置，但是价格较贵，设备较重，并且实际应用中需要知道消磁电缆敷设不同位置对应的长度，才能较快地找到缺陷部位。

6)由于船舶消磁电缆、磁罗经补偿装置和消磁电流复示器连接线敷设的复杂性、隐蔽性，更换电缆需在船舶进入等级修理后方可进行，如果故障电缆不具备修复性，需将电缆从消磁绕组中去除，同时通知船方做好更换故障电缆计划。

4 结束语

本文通过分析消磁绕组绝缘故障产生的原因，提出绕组绝缘故障检测排查方法，提炼总结了消磁绕组绝缘故障诊断流程，可以有针对性地排查常见故障部位，实际工作经验证明该诊断流程可操作性强，故障定位准确，可提高故障排查效率。下一步将在电缆绝缘处理和消磁绕组安匝调整等方面进行研究，解决消磁绕组电阻改变后的电流设计问题，提升消磁绕组绝缘故障处理的完整性。未来消磁绕组绝缘检测将会往在线监控分析、故障准确定位和绝缘老化趋势评估等方向综合发展，以进一步提升消磁绕组的可靠性。